JPH0541965B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、顕微鏡やカメラ等の光学系の自動焦
点検出装置特に物体像を複数の素子から成る光電
変換装置で受けて各素子からその受光量を表わす
出力信号を得、該出力信号に基づいて合焦検出を
行う自動焦点検出装置に関するものである。

この種従来の自動焦点検出装置として、例えば
二像合致方式のものには、三角測量を応用した距
離計式のものや瞳を通る光束を分割して二つの像
を得るTTL方式のものがあり、いずれも二つの
像の合致を検出するのに二つの像についてデジタ
ル的に相関を求め、その相関値の極値をもつて合
致となし且つその合致まで二つの像の相対移動量
をもつて像の位相差量とするものであつた。

第１図はその一例を示しており、図示しないイ
メージセンサーにより撮られた二つの像のデータ
Ａ，Ｂはサンプルホールド回路、Ａ−Ｄ変換器
（いずれも図示せず）等を通つてリング状のシフ
トレジスタ１ａ，１ｂに夫々記憶される。この例
では画像データを128ビツト構成としている。両
画像データＡ，Ｂが夫々シフトレジスタ１ａ，１
ｂに格納されると、続いて差の絶対値を求める回
路２により各ビツト毎の差の絶対値が求められ、
更に加算器３によつてそれらの和が求められて二
つの像の相関値となる。次に、クロツクCLから
のパルスによりシフトレジスタ１ｂの画像データ
Ｂが１ビツト分移動されて再び回路２、加算器３
により相関値が求められる。このようにして、ク
ロツクCLにより次々と一方の画像データを移動
させるたびに相関値が求められ、更にピークデイ
テクタ４によつて相関値の極値が求められ、極値
を検出した位置が合焦位置となる。又、極値の場
合のクロツク数がカウンタ５によつて求められ、
このクロツク数即ちシフトレジスタ１ｂの画像デ
ータＢの移動量が二つの画像の位相差量となり、
これからデフオーカスの方向と量を知ることが出
来る。

ところが、この装置はイメージセンサで得た画
像データをそのまま用いているので、光学系の偏
心や瞳の偏心等で二つの画像データの光量が不均
等になつた場合や、瞳分割器と瞳との位置がずれ
て二つの画像データの光量分布が不均一になつた
場合、更には光電変換装置の各絵素の特性のバラ
ツキによつて二つの画像データにアンバランスが
生じた場合等に、誤つた合焦が行なわれたり更に
は合焦不能となるなとの問題があつた。

本発明は上記問題点に鑑み、二像合致方式ある
いは像位相差方式等と呼ばれている物体を表わす
二つの像の相対位置関係を検出することにより合
焦検出を行なうタイプの自動焦点検出装置におい
て、複数の絵素から成る光電変換装置の各絵素毎
の出力信号の大きさのバラツキを少なくし、より
高精度の合焦検出を行なうことができるようにし
たものである。すなわち、本発明は、結像レンズ
の瞳の一部の領域を通過する光束と他の一部の領
域を通過する光束とにより夫々形成される物体像
を個別に複数の絵素から成る光電気変換装置で受
け、各絵素からその受光量を表わす出力信号を
得、該出力信号に基いて前記各物体像の相対的位
置関係を検出することにより合焦検出を行なうよ
うにした自動焦点検出装置において、前記光電変
換装置に前記結像レンズを介して一様な光を当て
てその際の各絵素からの出力信号の逆数を求める
手段と、該逆数を各絵素毎に合焦検出のための出
力信号に乗じて該出力信号を補正する手段と、該
補正された出力信号に基いて合焦検出を行なう検
出手段とを備えているか、あるいは、光電変換装
置に前記結像レンズを介して一様な光を当てた際
の該光電変換装置から得られる各絵素毎の出力信
号の大きさの不均一性を補正するための各絵素毎
の補正データを記憶する手段と、前記光電変換装
置から得られる合焦検出のための出力信号を各絵
素毎に前記補正データにより補正するための演算
を行なう手段と、該補正された出力信号に基いて
合焦検出を行なう検出手段とを備えていることを
特徴とするものである。以下第２図乃至第１４図
に示した一実施例に基づきこれを説明すれば、第
２図は本実施例に用いられる瞳分割法の原理を示
しており、ａにおいて、６は結像レンズ、７は結
像レンズ６の前側で瞳の近傍に配設された開口７
ａを有する遮光板、８は像面であり、合焦時には
像面８上に像Ｑが結像されるが、非合焦時には前
ピン，後ピンに対応して像Ｑに関して各々光軸Ｏ
に垂直な方向で反対方向にずれた位置にボケた像
Q₁，Q₂が像面８上に形成される。ｂは遮光板７
の開口７ａを光軸Ｏに関して反対側に移動させた
場合を示しており、合焦時には像面８上に像
Q′が結像されるが、非合焦時には各々前ピン、
後ピンに対応してボケた像Q₁′，Q₂′が像面８上に
形成される。従つて、遮光板７の開口７ａを例え
ばａの位置からｂの位置へ移動させると、合焦時
には像Ｑ及びQ′が同じ位置にあつて移動しない
が、前ピンの場合には像はQ₁からQ₁′の位置へ移
動し、また後ピンの場合にはQ₂からQ₂′の位置へ
移動する。そして、８の像面上にいわゆるイメー
ジセンサーを設けることにより像の状態を測定で
きる。

以上のことから、前ピン、後ピンの判別とその
時の非合焦の量を夫々像の移動方向とその量（す
なわち位相差）から知ることができる。

第３図は上記原理を顕微鏡に用いた場合の実施
例の全体図であり、５１は光源、５２はコンデン
サーレンズである。５３はステージで、この上に
標本をのせて観察を行なう。５４は対物レンズ、
５５は焦点検出系へ光を導くビームスプリツタ
ー、５６は接眼レンズに光の一部を導くプリズ
ム、５７は接眼レンズである。５８は写真用接眼
レンズ、５９はフイルムである。ここまでは、普
通の顕微鏡と何ら異なるところは無い光学系であ
る、６０はビームスプリツター５５からの光を検
出光学系に導くリレーレンズ、６１はリレーレン
ズと共に対物レンズ５４の瞳の像を所定の位置に
形成するためのレンズ、６２は前記瞳の像の位置
に置かれる瞳分割器である。６３は結像レンズ
で、これを通る光をフイルター６４を介してイメ
ージセンサー６５上に結像させる。６６は瞳分割
器駆動回路、６７はステージ駆動回路であり、そ
れぞれマイクロコンピユータ７０によつて制御さ
れる。６８はイメージセンサー駆動回路、６９は
イメージセンサー６５からの画像データをマイク
ロコンピユータ７０に入力するインターフエイス
回路である。７１は自動焦点動作を行なつたり、
合焦表示や不可能表示を行なうコンソールであ
る。相関の演算や合焦の判定等は全てマイクロコ
ンピユータ７０が行なつている。相関の演算は最
近開発され市場に出ている計算専用LSIを用いる
と良い。

次に各部分の動作について詳述する。第４図は
二つの像を形成する為に瞳を通る光束を分割する
瞳分割器の具体的な二つの例を示しており、ａは
ガラス基板に遮光部分（斜線部）を設け且つ軸Ｏ
を中心に回転させることにより瞳９を半分ずつ交
互に開閉するようにしたものであり、ｂは開口部
１０を有した扇形のもので軸Ｏを中心に左右に回
転させることにより瞳９を半分ずつ交互に開閉す
るようになつている。ａの場合は、DCモータ等
によつて回転させつつ回転する瞳分割器による同
期信号に応じてイメージセンサーで撮像する方法
に適している。ｂはマイクロコンピユータ等の制
御装置に従つて瞳分割器を動かしながらそれと同
期してイメージセンサーで撮像する方法に適して
いる。かくして、以上の様な瞳分割器によつて第
３図におけるａ，ｂの状態を作り出し、そのａ，
ｂの状態それぞれの場合の画像データをイメージ
センサーによつて得ることが可能となる。

又、一般に合焦の対象となる被写体や標本は視
野の中心にあるとは限らないので、イメージセン
サーは視野の中心だけでなくなるべく広範囲にわ
たつていることが望ましい。しかし、視野全体を
カバーしようとするとイメージセンサーの素子数
を増やす必要がある。これは合焦精度を一定に保
つためには素子のピツチをある程度の大きさにし
なければならないところからくる。

この点について以下説明する。第５図は二つの
像の位相差量とデフオーカス量との関係を示す図
である。こゝでは、説明を簡単にする為に点像を
考える。１３は光学系の光軸であり、後側開口数
がNA′の光学系によつて点像１１が形成されてい
るとする。今デフオーカス量δdの位置にイメー
ジセンサー１２があるとすると、二つの像１１
Ａ，１１ＢはSpだけ位相差をもつて形成される
から、δdとSpの関係は δd＝Sp／NA′ (1) となる。今10×の対物レンズを用いた場合の合焦
精度を考える。10×対物レンズのNAを0.40とす
るとNA′は0.04となり、(1)式から δd＝25Sp (2) が導かれる。一方、10×対物レンズの焦点深度ｔ
は ｔ＝ε／NA′ (3) で表わされる（εは許容錯乱円である）から、ε
＝0.05mm（20本／mmの分解能に相当）とすれば、 ｔ＝1.25mm (4) となる。この焦点深度以内の合焦検出精度が必要
であるから、 δd＝ｔ／２ (5) として δd＝0.625mm (6) よつて Sp＝25μｍ (7) となる。この程度の像の位相差量を精度良く求め
るには、イメージセンサー１２のダイオードアレ
イのピツチがやはり25μｍ程度である必要があ
る。以上の様に合焦精度の要求からイメージセン
サー１２のピツチが決定される。この場合仮に
128個のダイオードアレイを有するイメージセン
サーを用いたとすると、イメージセンサーがカバ
ーする範囲は128×0.025＝3.2mmとなり、これは
視野数21（視野が直径21mm）に比べて非常に小さ
く、合焦の対象となる被写体をイメージセンサー
の位置（一般的には中心）に移動させて合焦を行
う必要が生じる。

第６図は本実施例に使用したイメージセンサー
とそこにおける処理方法を示したものである。本
実施例は512個のフオトダイオードアレイを有す
るイメージセンサーを使用しているが、このイメ
ージセンサーによると512×0.025＝12.8mmとな
り、視野のかなりの部分をカバーすることができ
る。しかし、全ての絵素からの出力信号を用いて
相関演算すると非常に演算時間が長くなるし、意
味も無い。そこで512ビツトを128ビツトの五つの
ブロツクａ〜ｄに分け、その内最もコントラスト
の高いブロツクで相関の演算を行なう。

ここで、コントラスト計算方法の一例について
説明する。一般にコントラスト坪価の評価関数と
しては、ｆ(x)をセンサーのｘビツト目の出力とし
た場合 Ｃ＝ 〓^x ｜ｆ(x)−ｆ（ｘ＋１）｜ 又は、 Ｃ＝ 〓^x （ｆ(x)−ｆ（ｘ＋１））² が知られている。本実施例の場合、コントラスト
の変化を精度良く知る必要のあるコントラスト法
による焦点合わせとは異なり、各ブロツク間の相
対的コントラスト強度を知れば良いから、必ずし
も隣りのビツトの差を計算する必要はない。例え
ば Ｃ＝ 〓′^x ｜ｆ(x)−ｆ（ｘ＋５）｜ とする（ 〓′^x はｘを４つおきに計算するという意
味である。）と、例えばＡブロツクの計算は Ｃ＝₁₈₄ 〓′^x=64 ｜ｆ(x)−ｆ（ｘ＋５）｜ ＝｜ｆ（64）−ｆ（69）｜＋……＋｜ｆ（184）−
ｆ（188）｜ となり、差の絶対値を31回計算しながら加算すれ
ば良いことになる。従来の計算法なら121回必要
となる。

尚、ここで５ビツト隣りの値との差の絶対値を
４ビツトおきに計算しているのは、ただ単に隣り
の値の差の絶対値を４ビツトおきに計算するより
もコントラストの感度を良くするためである。こ
の点に関し、例えば第７図に示したイメージセン
サー上の光の強度分布ｌに基づき比較計算を行つ
てみる。この図で、横軸はフオトダイオードアレ
イの各絵素、縦軸は光強度を表わす出力信号の大
きさを示している。本実施例の場合は Ｃ＝｜ｆ（64）−ｆ（69）｜＋｜ｆ（68）−ｆ（73）
｜ ＝｜13−30｜＋｜25−60｜＝52 となるのに対し、従来の場合は C′＝｜ｆ（64）−ｆ（65）｜＋｜ｆ（68）−ｆ（69
）｜ ＝｜13−14｜＋｜25−30｜＝６ となることから、本実施例の方が従来の場合より
コントラスト感度が良くなつている。

更に、計算量を少なくする為にＸビツト隣りの
値との差を求め、これをＹビツトおきに計算する
場合は、Ｘ＞Ｙが好ましい。本実施例はＸ＝５＞
４＝Ｙである。

なお、上記関数ｆに用いるデータは、物体像１
１Ａ，１１Ｂに対応する画像データＡ，Ｂのどち
らか一方で良い。

かくして、以上の様な方法でブロツクａ，ｂ，
……，ｅのコントラストを計算してその内の一番
コントラストの良いものを選ぶが、ここで第６図
から明らかなようにブロツクａとｂが128〜192ビ
ツトで重なつているので、無駄な計算をしないよ
うに64〜128ビツト、128〜192ビツト、192〜256
ビツトのコントラストを各々計算し、ブロツクａ
のコントラストは64〜128ビツトと128〜192ビツ
トのコントラストの和、ブロツクｂのコントラス
トは128〜192ビツトと192〜256ビツトのコントラ
ストの和としても良い。尚、ブロツクａ，ｂ，
ｃ，ｄ，ｅが各々の半分ずつ重なり合つているの
は、ブロツクの境界に画像強度変化の著しい部分
がある場合でもその変化を含んだブロツクを設定
できるようにする為である。例えばブロツクａ，
ｃの境界すなわち192ビツト近辺に画像強度変化
の著しい部分があつた場合、ブロツクａあるいは
ブロツクｃでは情報を全て使うことは出来ない
が、ブロツクｂが設定されていれば情報の全てが
ブロツクｂに含まれることになり都合が良い。コ
ントラストを求める演算は相関の演算に比べて非
常に短時間で済むので、本実施例の演算時間は
128ビツトだけの相関演算時間＋α程度の時間で
済む。又、両側のそれぞれ64ビツトにブロツクを
設定していないのは、イメージセンサーが一定の
大きを有せざるを得ないためイメージセンサーに
写る画像データは単に位置がずれているだけでな
く周辺部分が異なつており、そのまま相関演算を
行うと誤差が生じてしまうからである。

以上のように処理を行なえば、必ずしも合焦さ
せるべき被写体や標本が視野の中心になくとも被
写体のある部分（ブロツク）が自動的に選ばれて
焦点検出が行われる。以上のことは特に固定的な
ブロツクを定めておく必要はなく、視野の大部分
をカバーするように配設されたイメージセンサー
の数多くのフオトダイオードアレイの中から、相
関演算に必要なフオトダイオードアレイを含んだ
部分をコントラスト等で選べば良い。また観察用
の視野中にマーク等を設け手動で設定するように
しても良い。この様にすると視野中に立体的な標
本があつても、あるいはゴミがあつても、使用者
の合わせたい被写体に焦点を合わせることができ
る。

次に、全体の動作について説明する。まず、第
３図のイメージセンサ６５から瞳分割器の動作に
同期して時分割的に得られる二つの物体像を表わ
す二つの画像データＡ及びＢはインターフエイス
６９を通してマイクロコンピユータ７０のメモリ
ーに格納される。そして、五つのブロツクの内最
もコントラストの高いブロツクが選択され、その
ブロツクの画像データによつて相関が演算され
る。仮に第６図のブロツクａを選択したとして話
を進める。

相関演算はメモリに格納された二つの画像に対
応する画像データＡと画像データＢとを相対的に
１ビツトずつずらしながら計算し、何ビツト分ず
らしたら画像が重なつたかを判定して像の位相差
量を求める。相関の式は、例えば Ｒ(δ)＝₁₉₁ 〓^x=64 ABS｛f_A(x)−f_B（ｘ＋δ）｝ (8) となり、ABSは絶対値を表わし、関数f_A(x)，f_B(x)
は夫々画像データＡ，Ｂのｘビツト目の値を表わ
している。そして、一組の関数f_A，f_Bについてδ
を変えていつてＲ(δ)が最小となる時のδ即ちδ′を
位相差としている。又、この例では−64≦δ≦64
としている。このδの範囲は合焦点近くでは狭く
することができるので、演算時間の短縮となる。

実際のδの値はイメージセンサーの１ビツトご
との値しかとらないので、さらに精度良く検出す
る為には相関の離散的な値をカーブフイツテイン
グ等により特定の関数で近似し、その関数の極小
値を与えるδの値を求めることで１ビツト以下の
精度で像の位相差を求める（第８図）。あるいは
Ｒ(δ)が最小の時のδ即ちδ′とその前後の三点ｏ，
ｐ，ｑを用いて二次曲線近似を行ない、その頂点
の位置から位相差を求めるようにしても良い（第
９図）。

以上の結果、視野の多くの部分をカバーし且つ
合焦の精度を維持しながら、演算時間をほとんど
増加させないで済む。

上記の例ではδが−64〜64の範囲にあり、この
範囲のデフオーカス量は(6)式から0.625×64＝40
mmとなり、対物側では40／10²＝0.4＝400μｍであ
るからデフオーカス量が±400μｍとなる。これ
以上の広い範囲のデフオーカス量を検出範囲に入
れようとする場合、δの範囲を増やすことが考え
られるが、これは計算量が増大し好ましくない。
またその様にデフオーカス量が大きい場合に上記
の様な精度の高い計算をしても意味が無い。

そこで、本実施例では画像データとして取込ん
だデータの内の数ビツトごとのデータを用いてコ
ントラストや相関の計算を実行している。具体的
には５ビツトおきにデータを用いるとすると、画
像メモリ中のデータｆ(0)，ｆ(1)，ｆ(2)，……，
ｆ（510），ｆ（511）の内のｆ(0)，ｆ(5)，ｆ(10)，…
…，ｆ（505），ｆ（510）が使用するデータになる
と考えれば良い。実際には計算の際に５ビツトお
きのデータを用いるに過ぎない。例えば(8)式は Ｒ(δ)＝₆₄ 〓ⁿ⁼⁰ ｜f_A（96−4n）−f_B（96＋4n＋δ）｜ (9) の様になる。この場合は、デフオーカス量が大き
く像もぼやけて低周波成分しかないから、ブロツ
ク分けは行なつていないが、必要に応じてブロツ
ク分けをしてもよい。この場合のδの変化量も５
つおきに計算するから、δの範囲を例えば−200
≦δ≦200とした場合でも相関計算の回数は81回
となり少なくて済む。検出範囲は±1.25mmとな
る。

以上の様に、画像データを数ビツトおきに用い
ることにより計算量を増やすことなく検出範囲を
広げられる。この様にデフオーカス量の大きい時
は数ビツトごとの計算により焦点位置の近くに合
わせ、その後に前述の精度を考えた計算を行なう
と、合焦可能範囲が広く且つ合焦精度の良い自動
焦点検出を行なうことが出来る。

さらにデフオーカス量が大きい場合には、画像
データからコントラスト（計算量が少なくて済
む）だけを計算しつつステージを移動し、コント
ラストが一定の値になつてから相関による焦点合
わせを行なうようにすると良い。またこれは、コ
ントラストが一定以上ないと相関計算が誤つた像
位相差を計算する恐れもあるので、それより低い
コントラストの場合は計算しないなどの判断に用
いてもよい。

尚、カメラ等対物光学系を移動して焦点合わせ
を行なう装置の場合は、光学系を駆動するのは言
うまでもない。

上記の実施例の場合、瞳を通る光束を分割して
二つの像を得るので、光学系の偏芯や瞳の偏芯等
で画像データＡとＢの光量が異なる場合がある。
特に合焦系をアタツチメント形式にすると影響が
出やすい。また瞳位置に瞳分割器が無い場合に
は、第１０図のように画像データＡとＢで光量に
むらが出来る。第１１図は光量むらを模式的に説
明する図である。ａの場合、瞳と瞳分割器が一致
しているから各像高ｈ，ｉ，ｊに対する瞳面上の
有効開口の大きさは全てａに等しい。ところが、
ｂの場合のように瞳分割器が瞳から外れると、各
像高ｈ，ｉ，ｊに対する瞳面上の有効開口の大き
さがｂ，ｃ，ａのように互いに異なることとな
り、それに応じてイメージセンサ上の場所に応じ
て入射光量が不均一となり、光量むらが生じる。

以上のような光量差や光量むらがあると、画像
データＡとＢの二つの像の相似性が悪化し、相関
処理結果の精度が著しく低下することになる。そ
こで補正が必要となる。補正の一つの例は、イメ
ージセンサーの固定パターンノイズの除去によく
用いられている方法で、あらかじめ均一な光でイ
メージセンサーを露光しその画像データを得る。
入射光が均一であることにより画像データは固定
パターンノイズそのものであるから、その逆数に
よつて補正係数をつくれば、その後画像データに
補正係数をかけることにより固定パターンノイズ
の影響を除くことができる。本実施例の場合、合
焦光学系を通した均一な光で画像データＡ及びＢ
を得ると画像データＡとＢは偏芯等により第１１
図の様に光量むらのあるデータとなつている。従
つて、その逆数等によつて補正係数をつくり同様
な処理を行なえば、光量むらの影響を除くことが
出来る。光量差がある場合もその光学系を通して
同様な処理を行なえば同様な効果を得ることがで
きる。付随的にはイメージセンサーの固定パター
ンノイズの除去にもなる。均一光で露光した画像
データを得る具体的方法としては、ステージ５３
上に試料をおかない状態でイメージセンサから出
力信号を得るようにする方法が簡単である。

以上のように、上記の補正には一度均一光によ
るデータ入力を行なう必要がある。これはめんど
うな操作ではないが、それでも補正用のデータ入
力を行ないたくない場合は計算によつて補正する
ことも出来る。第１２図はそれを説明する図で、
ｘ軸をセンサーアレイの並び方向にｙ軸を画像デ
ータの強度の方向に夫々とつてある。画像データ
Ａ，Ｂの値は、第１１図の説明でもわかる通りあ
る一定の傾きをもつ直線と考えることが出来る。
それぞれをl_A，l_Bとする。画像データl_Aの傾きを
β_Aとすると、画像データl_Aの式は、I_Aをl_Aの光量
の平均として、 ｙ＝β_AＸ＋I_A となる。ここで傾きβ_Aは光量によつて変化する
が、β_A＝I_A／ｋとなる定数ｋを導入することにより、 ｋから求めることが出来る。ｋはその光学系の特
性により決まるもので、あらかじめ測定しておけ
ば良い。画像データＡ，Ｂの光量の平均をI_allと
すると、イメージセンサ上の場所（即ち、素子の
位置）ｘにおける補正係数α(x)は α(x)＝I_all／I_A／Ｋｘ＋I_A＝I_all／I_A・１／ｘ／ｋ
＋１ となり、これによつて光量差の補正及び光量むら
の補正ができる。

以上の様に、均一光を用いたりあるいは計算す
ることで、光学系の偏芯あるいは瞳の偏芯の影響
や瞳と瞳分割器が一致していない影響を補正し除
去することが出来る。その結果、合焦の精度が向
上し、検出範囲も拡がる。更には合焦点検出部を
アタツチメント形式にしても使用出来る。最も大
きな効果としては、瞳位置の異なる各種各倍率の
対物レンズが使用出来ることである。

また、顕微鏡のように多くの種類の対物レンズ
を用いるとそれぞれの対物レンズにより瞳位置が
違うので、瞳分割器を瞳位置に全ての対物レンズ
について正しく設置することが難しい。この不具
合の解決法の一つとして瞳分割器を復数個設ける
ことが考えられる。復数の瞳分割器をそれぞれの
対物レンズの瞳位置に設けることにより瞳と瞳分
割器とを一致させる。一つの瞳分割器を使用して
いる場合、他の瞳分割器が瞳をけらないように構
成されているのは言うまでもない。例えば第１３
図のように第４図と同じ瞳分割器を二枚連結した
ものを用いてもよい。

第３図において、フイルター６４は赤外カツト
フイルター或いはバンドパスフイルターであつ
て、イメージセンサー及び光源５１等の分光感
度、分光分布が比視感度と異なるので、そのこと
による焦点ずれの現象を防ぐ役目をする。

以上のような自動焦点装置の制御、演算処理を
行う場合、マイクロコンピユータ及び演算処理ユ
ニツトによる方法が最も設計容易で安価である。
これについて、第１４図のフローチヤートで説明
を補足する。これは最も基本的な場合を示してい
る。合焦が開始されると、まず顕微鏡の状態が合
焦動作に適した状態になつているかをチエツク
し、対物レンズの種類、倍率を判別する。これ
は、光量むら補正の場合対物レンズの種類及び倍
率によつてパラメータが異なり、像位相差量をス
テージ移動量に変換する変換の係数も倍率によつ
て違うからである（(1)式参照）。次に、イメージ
センサーからf_A及びf_Bのデータを得てメモリに格
納する。その後、光量むらを補正し、再びメモリ
に格納する。合焦開始時は焦点が大きくずれてい
ることがあるので、５ビツトおきの相関演算でお
およその焦点位置を決定する（(9)式参照）。そし
て、相関により求めた像位相差量をステージ移動
量に変換しステージを移動する。そこで再びf_A，
f_Bのデータを得、補正を行なう。次にコントラス
ト評価によりブロツクを決定する。コントラスト
が一定値以上なければ相関による結果の信頼性が
少ないので、もう一度５ビツト相関を行ないステ
ージを焦点位置に近づける。数回行なつてもコン
トラストが上がらない場合は試料のコントラスト
が低すぎるので不可能表示を行なう。コントラス
トが一定以上あれば、決定されたブロツクで相関
を計算し、ステージを移動して合焦する。合焦の
確認としてもう一度、f_A，f_Bを得、相関を計算す
る。ここで像位相差量が焦点深度内の値であれば
合焦であり、ステージを移動しない。もし焦点深
度外であればもう一度同じ動作を繰り返す。

以上は最も基本的な動作を説明したもので、実
際のプログラムには試料が無かつた場合とは機械
が故障した場合のフエイル・セイフ等も考慮され
ている。

また５ビツト相関から１ビツト相関に移る場合
の判定に像位相差量を用いてもよい。前例の場合
−200≦δ≦200の範囲を５つおきに計算している
が、相関Ｒ(δ)が最小値をとるδが−200≦δ′≦200
ならばその分ステージを移動した後に１ビツト相
関に移る。この場合判定条件を−180≦δ′≦180の
ように計算したδの範囲より小さめに設定するほ
うがよい。これはデフオーカス量が大きい場合に
は雑音等で誤つて最小値をとるδ′を決定すること
があるからである。

第１５図は第二実施例として中央処理装置以外
をハードウエアで構成した例の制御・演算回路を
示している。これについて説明すれば、まずコン
ソール７１からの合焦開始信号により瞳分割器駆
動回路６６が働き画像データＡをイメージセンサ
ー６５により得る。イメージセンサー６５は瞳分
割器６２と同期してセンサー駆動回路６８により
撮像を開始する。この時、蓄積型イメージセンサ
ーの場合は（一般に固体撮像素子はこの型）、一
度以前に蓄積された信号を消去する為にカラ読み
出しを行なう。イメージセンサー６５から連続し
て読み出される画像データＡはサンプルホールド
回路３１、Ａ／Ｄコンバータ３２、スイツチ回路
３３を通つて第一メモリ３４に記憶される。そし
て、図示していないメモリにあらかじめ記憶され
ている補正係数データによつて画像データＡは補
正されて再び第一メモリ３４に記憶される。補正
係数データはあらかじめ均一光を入射して画像セ
ンサーで撮像した前述の画像データの逆数にその
時の画像データＡ，Ｂの平均値を掛けたものであ
る。512ビツトのイメージセンサーの場合を考え
る。画像データＡ，Ｂは両方合わせると０〜1023
ビツトまで合計1024個となる。画像データＡは０
〜511ビツト、画像データＢは512〜1023ビツトと
する。試料が無い状態での均一光で得た画像デー
タのｎビツト目の値をx_oとすると、ｎビツト目の
補正係数k_oは となる。尚、補正係数として第21項に記載したα
(x)を用いても良いことは言うまでもない。

次に、画像データＡが第一メモリ３４に格納さ
れると、瞳分割器６２は画像データＢを取る状態
になり画像データＢは画像データＡと同様にして
第二メモリ３５に補正されて格納される。第一メ
モリ３４に格納されたデータは第６図に示したブ
ロツクごとにコントラスト判別器３６に送られ、
コントラストの高さにより用いるべきブロツクが
決定される。ブロツクｂのコントラストが最も高
い場合にはアドレス指定回路３７に128が与えら
れる。アドレスシフト回路３８には初期値−32が
入つており、アドレス指定回路３７が第一メモリ
３４の128を指定すると、アドレスシフト回路３
８は第二メモリ３５の96を指定する。そして画像
データf_A（128）とf_B（96）が減算器３９に入力さ
れ、絶対値回路４０を経て｜f_A（128）−f_B（96）｜
の演算が行なわれる。そして、加算器４１を経て
メモリ４２に格納される。以上が終ると、アドレ
ス指定回路３７はメモリ３４の129を指定し、ア
ドレスシフト回路３８はメモリ３５の97を指定
し、以後同様に演算され｜f_A（129）−f_B（97）｜は
加算器４１によつて前のデータ｜f_A（128）−f_B
（96）｜に加えられてメモリ４２に格納される。以
後第一メモリ３４のアドレス255まで繰り返され、
相関演算 Ｒ（−32）＝₂₅₅ 〓^x=128 ABS｛f_A(x)−f_B（ｘ−32）｝ が完了する。この計算が完了すると、アドレスシ
フト回路３８の値は−31になり、 Ｒ（−31）＝₂₅₅ 〓^x=128 ABS｛f_A(x)−f_B（ｘ−31）｝ が計算される。そして、これはアドレスシフト回
路３８の値が31になるまで続き、全体の相関演算 Ｒ(δ)＝₂₅₅ 〓^x=128 ABS｛f_A(x)−f_B（ｘ＋δ）｝ −32≦δ
≦31 が行なわれる。続いて中央処理装置４３によりメ
モリ４２内のＲ(δ)を比較し、Ｒ(δ)が最小となる
δを見つけて像の位相差量とする。それに従つて
ステージ駆動回路６７を駆動しピントを合わせ
る。

尚、デフオーカス量が大きく−32≦δ≦31の位
相差量では不足な場合は、アドレス指定回路３７
は第一メモリ３４の128を指定し且つアドレスシ
フト回路３８の初期値は−64となる。そして、そ
れぞれの相関演算が終るごとに２ずつ増え、 Ｒ（−64）＝｜f_A（128）−f_B（128−64）｜＋｜f_A
（130）−f_B（130−64）｜＋…… ……＋｜f_A（382）−f_B（382−64）｜ Ｒ（−62）＝…… 〓 Ｒ（60）＝…… という計算が行なわれる。これは画像データを１
ビツトおきに用いたことに相当し、同じ計算量で
像位相差の検出範囲が二倍になつている。但し合
焦精度は1/2になる。

以上のように像位相差を計算しステージ駆動回
路６７を駆動してピントを合わせるが、ピントを
正確に合わせる為上記動作を数回繰り返しても良
い。尚、コンソール７１では合焦開始や合焦表示
を行なう。

上述の如く、本発明による自動焦点検出装置
は、イメージセンサーから得た出力信号を補正係
数で補正し、装置の構成に起因する光量むらを取
り除いた信号で焦点検出を行なうようにしている
ので、正確な合焦検出を行うことが出来る。

尚、上記実施例では結像レンズの瞳の異なる位
置を通つて形成される二つの物体像を時分割的に
１つの光電変換装置で受けるものを説明したが、
これに限らず、二つのイメージセンサを備え二つ
の物体像を夫々別のイメージセンサで受けるよう
にした自動焦点検出装置にも本発明を適用し得る
のは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動焦点検出装置の要部回路を
示す図、第２図は本発明による自動焦点検出装置
の一実施例に用いられる瞳分割法の原理を示す
図、第３図は上記実施例の全体図、第４図は上記
実施例に用いられる瞳分割器の具体例を示す正面
図、第５図は二つの像の位相差量とデフオーカス
量との関係を示す図、第６図は上記実施例のイメ
ージセンサーとそこにおける処理方法を示す図、
第７図はイメージセンサー上の光の強度分布の一
例を示す図、第８図及び第９図は合焦点付近にお
ける精度の良い位相差計算法を示す図、第１０図
は上記実施例における画像データの光量むらを示
す図、第１１図は光量むらを模式的に説明する
図、第１２図は光量むらの補正方法を示す図、第
１３図は他の瞳分割器の斜視図、第１４図は上記
実施例のコンピユータによる制御及び演算処理方
法を示すフローチヤート、第１５図は他の実施例
の制御・演算回路を示す図である。 ５１…光源、５２…コンデンサーレンズ、５３
…ステージ、５４…対物レンズ、５５…ビームス
プリツター、５６…プリズム、５７…接眼レン
ズ、５８…写真用接眼レンズ、５９…フイルム、
６０…リレーレンズ、６１…レンズ、６２…瞳分
割器、６３…結像レンズ、６４…フイルター、６
５…イメージセンサー、６６…瞳分割器駆動回
路、６７…ステージ駆動回路、６８…イメージセ
ンサー駆動回路、６９…インターフエイス回路、
７０…マイクロコンピユータ、７１…コンソー
ル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 結像レンズの瞳の一部の領域を通過する光束
   と他の一部の領域を通過する光束とにより夫々形
   成される物体像を個別に複数の絵素から成る光電
   変換装置で受け、各絵素からその受光量を表わす
   出力信号を得、該出力信号に基いて前記各物体像
   の相対的位置関係を検出することにより合焦検出
   を行なうようにした自動焦点検出装置において、
   前記光電変換装置に前記結像レンズを介して一様
   な光を当ててその際の各絵素からの出力信号の逆
   数を求める手段と、該逆数を各絵素毎に合焦検出
   のための出力信号に乗じて該出力信号を補正する
   手段と、該補正された出力信号に基いて合焦検出
   を行なう検出手段とを備えていることを特徴とす
   る自動焦点検出装置。 ２ 結像レンズの瞳の一部の領域を通過する光束
   と他の一部の領域を通過する光束とにより夫々形
   成される物体像を個別に複数の絵素から成る光電
   変換装置で受け、各絵素からその受光量を表わす
   出力信号を得、該出力信号に基いて前記各物体像
   の相対的位置関係を検出することにより合焦検出
   を行なうようにした自動焦点検出装置において、
   前記光電変換装置に前記結像レンズを介して一様
   な光を当てた際の該光電変換装置から得られる各
   絵素毎の出力信号の大きさの不均一性を補正する
   ための各絵素毎の補正データを記憶する手段と、
   前記光電変換装置から得られる合焦検出のための
   出力信号を各絵素毎に前記補正データにより補正
   するための演算を行なう手段と、該補正された出
   力信号に基いて合焦検出を行なう検出手段とを備
   えていることを特徴とする自動焦点検出装置。